人类对暗物质的研究历史

2016-07-18 13:05 作者:admin 来源:网络

研究历程

21世纪初科学最大的谜是暗物质和暗能量。暗物质存在于人类已知的物质之外,人们知道它的存在,但不知道它是什么,它的构成也和人类已知的物质不同。在宇宙中,暗物质的能量是人类已知物质的能量的5倍以上。暗物质的总质量是普通物质的6.3倍,在宇宙能量密度中占了1/4,同时更重要的是,暗物质主导了宇宙结构的形成。暗物质的本质还是个谜。科学家认为,整个宇宙有84.5%是由暗物质构成,但一直未能证明其存在。[3]  已有不少天文学家认为,宇宙中90%以上的物质是以“暗物质”的方式隐藏着。天文学家们称,根据当前一些统计资料显示,我们平常看不见的暗物质很可能占有宇宙所有物质总量的95%,而人类可以看到的物质只占宇宙总物质量的不到5%。

20世纪30年代,荷兰天体物理学家奥尔特指出:为了说明恒星的运动,需要假定在太阳附近存在着暗物质;同年代,茨维基从室女hv588鸿运国际团诸hv588鸿运国际的运动的观测中,也认为在hv588鸿运国际团中存在着大量的暗物质;美国天文学家巴柯的理论分析也表明,在太阳附近,存在着与发光物质几乎同等数量看不见的物质。

1930年初,瑞士天文学家扎维奇发表了一个惊人结果:在hv588鸿运国际团中,看得见的hv588鸿运国际只占总质量的1/300以下,而99%以上的质量是看不见的。不过,扎维奇的结果许多人并不相信。

自20世纪70年代以来,科学家们根据对许多大型天体之间,如hv588鸿运国际之间的引力效果的观测发现,常规物质不可能引起如此大的引力,因此暗物质的存在理论被广泛认同。

2006年1月6日报道,剑桥大学天文研究所的科学家们在历史上第一次成功确定了广泛分布在宇宙间的暗物质的部分物理性质。从事此项研究的科学家们已准备将此项研究结果公开发表。

2006年,美国天文学家利用钱德拉X射线望远镜对hv588鸿运国际团1E 0657-56进行观测,无意间观测到hv588鸿运国际碰撞的过程,hv588鸿运国际团碰撞威力之猛,使得黑暗物质与正常物质分开,因此发现了暗物质存在的直接证据。天文学家推测,宇宙中最重要的成分是暗物质和暗能量,暗物质占宇宙25%,暗能量占70%,通常所观测到的普通物质只占宇宙质量的5%。因此,探测和研究暗物质很可能导致物理学界新的革命。

2007年1月,暗物质分布图终于诞生了!经过4年的努力,70位研究人员绘制出这幅三维的“蓝图”,勾勒出相当于从地球上看,8个月亮并排所覆盖的天空范围中暗物质的轮廓。这张图是通过引力透镜原理获得的。马赛天文物理实验室的让-保罗·克乃伯(Jean-Paul Kneib)参加了这张分布图的绘制工作,他认为这种“面包丁”的形状自25亿年以来就没有很大改变,所以我们看到的也就是暗物质的形状。

2007年5月16日出版的《天体物理学杂志》称,约翰斯·霍普金斯大学天文学家小组利用哈勃太空望远镜,探测到了位于遥远hv588鸿运国际团中呈环状分布的暗物质[4]  。天文学家们称,这是迄今为止能证明暗物质存在的最强有力的证据。这一重大发现刊登在上。 研究小组成员、天文学家詹姆斯·杰说,“这是第一次探测到有着独特结构的暗物质,它的环状结构与hv588鸿运国际团内部hv588鸿运国际以及热气体的结构截然不同[4]  ”。这将有助于天文学家分析暗物质与普通物质的区别,理解引力作用是如何影响暗物质的[4]  。

2009年12月21日,科学家在Souden煤矿中发现暗物质,这是迄今为止最有力的发现暗物质证据。其他实验也在探寻来自暗物质的信号,比如地下氙(Lux)实验。美国费米太空望远镜则试图定位暗物质,寻找其在空间湮没(暗物质发生碰撞时,两个粒子将生成可以被探测器接收到的γ射线)的证据,但目前没有任何发现。

2010年12月12日,中国首个极深地下实验室——“中国锦屏地下实验室”于在四川雅砻江锦屏水电站揭牌并投入使用,锦屏地下实验室垂直岩石覆盖达2400米,是当前世界岩石覆盖最深的实验室。它的建成标志着中国已经拥有了世界一流的洁净的低辐射研究平台,能够自主开展像暗物质探测这样的国际最前沿的基础研究课题。清华大学实验组的暗物质探测器已经率先进入实验室,并启动探测工作,而2012年上海交通大学等研究团队也将进入这里开展暗物质的探测研究。[6] 

2011年5月,意大利暗物质探测无果,该研究结果质疑其它发现暗物质的结果。有科学研究表明,大麦哲伦hv588鸿运国际(距离银河系约16万光年)未被银河系的引力撕碎的原因可能是因为暗物质的影响,使大麦哲伦hv588鸿运国际幸免于难。[7] 

至2013年,寻找暗物质粒子、研究暗能量的物理本质、探索宇宙起源及演化的奥秘、结合粒子物理和宇宙学的研究已成为21世纪天文学和物理学发展的一个重要趋势。诺贝尔物理学奖获得者李政道教授曾多次指出:“暗物质是笼罩20世纪末和21世纪初现代物理学的最大乌云,它将预示着物理学的又一次革命。”

——已发现的40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质。

日内瓦时间2013年4月3日下午5点(北京时间2013年4月4日零点),诺贝尔物理奖获得者丁肇中教授在日内瓦欧洲核子中心,首次公布其领导的阿尔法磁谱仪(AMS)项目18年之后的第一个实验结果,让人类在认识暗物质的道路上迈出重要一步。丁肇中团队借助阿尔法磁谱仪已发现40万个正电子,这40万个正电子可能来自一个共同之源,即脉冲星或人们一直寻找的暗物质(正电子是反物质,和暗物质是完全不同的概念)。阿尔法磁谱仪首批研究成果“将有助于促进对基础物理学和天体物理学领域新的理解”,“我们期盼更多来自这一项目的令人激动的成果”。该成果有可能证明暗物质确实存在。

2013年4月18日,美国物理学会的科学家报告称,在实验中发现大质量弱相互作用粒子的信号强度达到3个西格玛水平,他们发现暗物质的可能性达到99.8%。

北京时间2014年9月18日,程林教授团队与丁肇中合作的AMS项目重大成果发布会在瑞士日内瓦举行,丁肇中主持的实验室公布AMS项目最新研究成果,宇宙射线中过量的正电子可能来自暗物质。丁肇中特委托山东大学程林教授在国内发布有关成果。在已完成的观测中,证明暗物质存在实验的6个有关特征中,已有5个得到确认。


hv588鸿运国际研究

“暗物质”hv588鸿运国际团,也被称为“子弹hv588鸿运国际团”,距离地球38亿光年。通过研究这类hv588鸿运国际团,科学家能够测量出暗物质的不可见影响。子弹hv588鸿运国际团是两个hv588鸿运国际团碰撞的产物。其中普通物质——高温气体(粉色,X射线波段)——会碰撞、损失能量、运动速度变慢。hv588鸿运国际团中的暗物质(蓝色,引力透镜观测)间相互作用很弱,可以彼此穿过。 据美国太空网报道,神秘的暗物质一直以来都是自然界的未解之谜,引起了科学家们的探索和争论。美国“低温暗物质搜寻计划”项目组科学家研究指出,暗物质或许就存在于地球之上。 暗物质就因为它“模糊、隐晦”的特点而很难发现。事实上,科学家们也不知道究竟何为暗物质。由于暗物质既不释放任何光线,也不反射任何光线,因此最强大的天文望远镜都无法直接探测到它。

科学家们发现螺旋hv588鸿运国际NGC 4736的旋转能完全依靠可见物质的引力来解释,也就是说这个hv588鸿运国际没有暗物质或者暗物质很少。

Abell 2390hv588鸿运国际团和暗物质hv588鸿运国际团,距离我们约有20亿光年远。右半方的影像,是哈勃太空望远镜所拍摄的假色照片,而相对应的左半方影像,是由钱卓拉X射线观测站所拍摄的X射线影像。虽然哈勃望远镜的影像中,可以看到数量众多的hv588鸿运国际,但在X射线影像里,这些hv588鸿运国际的踪影却无处可寻,只见到一团温度有数百万度,而且会辐射出X射线的炽热hv588鸿运国际团云气。除了表面上的差异外,这些观测其实还含有更重大的谜团呢。因为右方影像中hv588鸿运国际的总质量加上左方云气的质量,它们所产生的重力,并不足以让这团炽热云气乖乖地留在hv588鸿运国际团之内。事实上再怎么细算,这些质量只有“必要质量”的百分之十三而已!在右方哈勃望远镜的深场影像里,重力透镜效应影像也指出造成这些幻像所需要的质量,大于哈勃望远镜和钱卓拉观测站所直接看到的。天文学家认为,hv588鸿运国际团内大部分的物质,是连这些灵敏的太空望远镜也看不到的“暗物质”。

在大视场望远镜所拍摄的天空照片上已发现了暗于14星等,不到半个太阳质量的M型矮星。由于太阳位于银河系中心平面的附近,从探测到的M型矮星的数目可推算出,它们大概能提供银河系应有失踪质量的另一半。且每一颗M型星发光,有几万年。所以人们认为银河系中一定存在着许许多多的这些小恒星“燃烧”后的“尸体”,足以提供理论计算所需的全部暗物质。

美国科学家称,他们通过一种最新的理论研究发现,地球和月球之间其实隐藏着大量神秘的暗物质。这一观点也许可以用来解释所谓的“飞行异常”奇怪现象。当太空飞行器进入太空之前、尚在地球周围不断加速的过程中,所有飞行器都曾有过奇怪的速率变化过程。而根据已知的万有引力定律,不应该出现这种现象。于是有些科学家认为,这种飞行异常表明现有物理定律以及万有引力定律存在问题,爱因斯坦的广义相对论需要修正。当然这只是一种较为激进的看法。

德国慕尼黑大学天文台的约尔格·迪特里希及其研究团队已探测到一个超hv588鸿运国际团的丝状物中的暗物质成分。这个超hv588鸿运国际团名为“阿伯尔222/223”,距地球约27亿光年。巨大的丝状物产生的引力使得从地球发射至遥远hv588鸿运国际的光束发生弯曲。迪特里希的研究团队利用这种光束,计算出“阿伯尔222/223”超hv588鸿运国际团丝状物的质量并绘制出它的形状。附近正常物质的炽热气体发出的X射线表明,正常物质是该超hv588鸿运国际团丝状物的组成部分,但仅占其质量的10%。其余部分一定是暗物质。迪特里希说,这表明这些丝状物是“将宇宙中的hv588鸿运国际团连接在一起的暗物质网络的一部分”。[9] 

霍普和他的科研组通过对费米伽马射线太空望远镜在两年多时间里传回地球的数据进行分析,发现这种高能死亡信号。费米太空望远镜是美国宇航局的伽马射线望远镜,主要用来扫描银河的高能活跃区。他们发现,发出信号的相撞在一起的暗物质粒子,比质子大约重8到9倍。霍普说:“它比我们大部分人猜测的结果可能更轻一些。迄今为止我们很擅长这方面。不过人们猜测的暗物质粒子的重量范围不会一成不变。”该科研组在银河核心处一个直径100光年的区域收集到的数据里发现这些信号。霍普解释说,他们之所以会关注这个区域,是因为它是暗物质最喜欢的聚集地,银河这个区域的暗物质密度,是银河边缘的10万倍。简而言之,银河核心就是一个暗物质大量聚集在一起,经常相撞的地方。


研究结论

直到1978年才出现第一个令人信服的证据,这就是测量物体围绕hv588鸿运国际转动的速度。根据地球绕太阳运行的速度和地球与太阳的距离,就可以测出太阳的总质量。同理,根据物体(星体或气团)围绕hv588鸿运国际运行的速度和该物体距hv588鸿运国际中心的距离,就可以估算出hv588鸿运国际范围内的总质量。这样计算的结果发现,hv588鸿运国际的总质量远大于hv588鸿运国际中可见星体的质量总和。

观测结果和理论分析均表明漩涡hv588鸿运国际外围存在着大质量的暗晕。科学家们借助强功率天文望远镜(包括架设在智利的甚大天文望远镜VLT --Very Large Telescope)对距离银河系不远的矮hv588鸿运国际进行了共达23夜的研究,此后科学家们还通过约7000余次的计算得出结论称:在他们所观测的这些矮hv588鸿运国际中,暗物质的含量是其它普通物质的400多倍。此外,这些矮hv588鸿运国际中物质 粒子的运动速度可达每秒9公里,其温度可达10000℃。同时科学家们还观测到,暗物质与其它普通物质还有着巨大的差异,如:尽管观测目标的温度是如此之高,但是这样的高温却不会产生任何辐射。据领导此项研究的杰里-吉尔摩教授认为,暗物质微粒很有可能不是由质子和中子构成的。然而在此之前科学家们曾一贯认为,暗物质应该是由一些“冷”粒子构成的,这些粒子的运动速度也不会太高。

暗物质研究专家们还表示,宇宙间最小的连续存在的暗物质片段大小也有1000光年,这样的暗物质片段质量约是太阳的30多倍。科学家们还在此次研究中确定出了暗物质微粒分布的密度,譬如,在地球上每立方厘米的空间如果能够容纳1023个物质粒子,那么对于暗物质来说这么大的空间只能容纳约三分之一的微粒。

宇宙学家表示,他们已经在银河核心深处发现与暗物质粒子有关的最令人信服的证据。该地的这种神秘物质相撞在一起产生伽马射线的次数,比天空中的其他临近区域更频繁。费米实验室的天体物理学家克雷格·霍甘并没参与这项研究,他说:“这是我所知道的第一项通过一个简单粒子模型,把少量与暗物质的证据有关的线索拼接在一起的研究。虽然它还没有充足证据,但它令人兴奋,值得我们去追根究底。”暗物质从137亿年前开始在庞大的能量膨胀——宇宙大爆炸过程中形成。能量冷却后形成普通物质、暗物质和暗能量,它们在宇宙中的比例分别是4%、23%和73%。[8] 

芝加哥大学的宇宙学家迈克尔·特纳表示,好消息是几项有希望的暗物质探测试验正在进行。相干锗中微子技术(CoGeNT)等深埋地下的探测器可助霍普一臂之力。该探测器近几年可能已经发现弱相互作用大质量粒子的迹象。特纳说:“这十年是暗物质的十年。这个问题即将解决。现在所有这些探测器都在观测正确方位。”他预测未来数年将会被铭记为“大质量弱相互作用粒子(WIMP)的十年”,而且通过一系列的研究,包括利用大型强子对撞机制造WIMP等,暗物质的性质将逐渐呈现在我们面前。

2015年5月13日,由北京师范大学天文系教授张同杰领衔的宇宙中微子数值模拟团队,在“天河二号”超级计算机系统上,日前成功完成3万亿粒子数的宇宙中微子和暗物质数值模拟,揭示了宇宙大爆炸1600万年之后至今约137亿年的演化进程。